TW201347381A - 應用於靴帶電路之直流轉換器 - Google Patents

Abstract

一種直流轉換器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，包含有一上橋開關及一下橋開關，用以將該輸入電壓轉換為一切換訊號，並由一輸出端輸出該切換訊號；一輸出級電路，耦接於該驅動級電路之該輸出端，用來將該切換訊號轉換為該輸出電壓；一靴帶電路，耦接於一靴帶電壓端及該輸出端之間；一上橋開關驅動電路，用來產生該上橋開關控制訊號；以及一控制模組，用來根據一第一時間長度及一第二時間長度，產生該下橋開關控制訊號，以及控制該上橋開關驅動電路產生該上橋開關控制訊號，據以適時切換該靴帶電路為一充電狀態。

Description

應用於靴帶電路之直流轉換器

本發明係指一種直流轉換器，尤指一種可適時對靴帶電容充電的直流轉換器。

電子裝置通常包含有不同的元件，每一元件所需的操作電壓可能都不同。因此，在電子裝置中，需要透過直流對直流電壓轉換電路，達到電壓準位的調節(升壓或降壓)，並使之穩定在所設定的電壓數值。依不同的電源需求，可延伸出許多不同型態的直流對直流電壓轉換器，但其皆源自於降壓式轉換器(Buck/Step Down Converter)及升壓式轉換器(Boost/Step Up Converter)。顧名思義，降壓式轉換器可將輸入端的直流電壓下降至一預設電壓準位，而升壓式轉換器則可提升輸入端的直流電壓。不論降壓式轉換器或升壓式轉換器，隨著電路技術的演進，兩者皆已演變出許多變化，以適用於不同的架構，或符合不同的需求。

舉例來說，請參考第1圖，第1圖為習知一直流轉換器10之示意圖。直流轉換器10包含有一驅動級電路100、一輸出級電路102、一控制模組104，一靴帶電路106及一上橋開關驅動電路108，用來將一輸入電壓V_in轉換為一低於輸入電壓V_in的穩定輸出電壓V_out。詳細來說，驅動級電路100包含有一上橋開關Q1及一下橋開關Q2，其係根據上橋開關驅動電路108所產生之上橋開關控制訊號V_CTRL_U及控制模組104所產生之下橋開關控制訊號V_CTRL_L，控制上橋開關Q1及下橋開關Q2之狀態，使上橋開關Q1及下橋開關Q2分別於導通與關閉之間相互切換，即上橋開關Q1導通而下橋開關Q2關閉，接著上橋開關Q1關閉而下橋開關Q2導通，進而於輸出端X產生一切換訊號SS至輸出級電路102。輸出級電路102包含有一電感L及一電容C，耦接於驅動級電路100之輸出端X與一地端V_gnd之間，其可根據驅動級電路100所輸出的切換訊號SS，使電感L持續切換於充電與放電兩種狀態，並配合電容C的穩壓功能，使輸出電壓V_out維持在預設電壓值。靴帶電路106耦接於靴帶電壓端V_cc與驅動級電路100之輸出端X之間，包含有一靴帶電容C_BS及一二極體D_BS，用來提供上橋開關驅動電路108一穩定電壓源。

由上述可知，控制模組104藉由指示上橋開關驅動電路108產生之上橋開關控制訊號V_CTRL_U，及其產生之下橋開關控制訊號V_CTRL_L，控制上橋開關Q1及下橋開關Q2的開關狀態，以調整兩種操作狀態的切換頻率，使得輸出電壓V_out之值符合所需。然而，在直流轉換器10中，當靴帶電容C_BS兩端的電壓差過低時，上橋開關Q1的閘源偏壓便會過低，上橋開關Q1可能會進入次臨界區，而使上橋開關Q1之一阻抗值增加，導致上橋開關Q1功率過大，進而毀損上橋開關Q1。因此，先前技術已提出當靴帶電容C_BS兩端的電壓差過低時，控制模組104應送出下橋開關控制訊號V_CTRL_L，導通下橋開關Q2，以對靴帶電容C_BS開始進行充電。要實現此技術需增加精確且複雜的偵測及邏輯電路，將造成成本的增加。

因此，本發明的主要目的，即在於提供一直流轉換器，不需透過偵測靴帶電容兩端電壓差的方法，即可適時控制靴帶電容充電，使靴帶電容C_BS兩端的電壓差維持在一特定電壓值之上。

本發明揭露一種直流轉換器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該直流轉換器包含有一驅動級電路，包含有一上橋開關及一下橋開關，用來根據一上橋開關控制訊號及一下橋開關控制訊號，將該輸入電壓轉換為一切換訊號，並由一輸出端輸出該切換訊號；一輸出級電路，耦接於該驅動級電路之該輸出端，用來將該切換訊號轉換為該輸出電壓；一靴帶電路，耦接於一靴帶電壓端及該驅動級電路之該輸出端之間；一上橋開關驅動電路，耦接於該驅動級電路及該靴帶電路，用來產生該上橋開關控制訊號；以及一控制模組，耦接於該上橋開關驅動電路及該驅動級電路之該下橋開關，用來根據一第一時間長度及一第二時間長度，產生該下橋開關控制訊號，以及控制該上橋開關驅動電路產生該上橋開關控制訊號，據以適時切換該靴帶電路為一充電狀態。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一直流轉換器20之示意圖。直流轉換器20包含有一驅動級電路200、一輸出級電路202、一控制模組204、一靴帶電路206及一上橋開關控制電路208。比較第2圖與第1圖可知，直流轉換器20之驅動級電路200、輸出級電路202、靴帶電路206及上橋開關驅動電路208與直流轉換器10之驅動級電路100、輸出級電路102、靴帶電路106及上橋開關驅動電路208大致相似，故相同元件沿用第1圖之符號表示，且其運作方式也大致相同，故不另贅述。直流轉換器20與直流轉換器10不同之處在於直流轉換器20的控制模組中204新增一充電時間控制單元210，並對應調整了控制模組204的運作方式及實現方式，以達成適時切換靴帶電容C_BS為充電狀態，避免上橋開關Q1的損毀。

詳細來說，控制模組204包含有充電時間控制單元210及控制訊號產生單元212，其中充電時間控制單元210主要可根據靴帶電容C_BS的電容量、靴帶電容C_BS兩端的電壓差、上橋開關Q1的漏電流、對靴帶電容C_BS的充電量，來設定切換靴帶電容C_BS為充電狀態的時間點和充電維持時間，且據以產生一指示訊號IND。且控制訊號產生單元212根據指示訊號IND，產生下橋開關控制訊號V_CTRL_L，以及控制該上橋開關驅動電路208產生上橋開關控制訊號V_CTRL_U，來控制上橋開關Q1及下橋開關Q2的導通與關閉狀態，進而適時切換靴帶電容C_BS充電狀態。

切換靴帶電容C_BS為充電狀態的時間點和充電維持時間的設定，請見以下說明。當控制訊號產生單元送出下橋開關控制訊號V_CTRL_L，控制下橋開關為關閉狀態，且維持第一時間長度T _{d 1}後，切換靴帶電容C_BS為充電狀態。T _{d 1}可由下列公式推得：

其中，I _leak 為上橋開關Q1之漏電流，C _boot 為靴帶電容C_BS之電容量，ΔV為靴帶電壓V_cc與特定電壓值的差。一般而言，I _leak 之值約在10至100微安培之間。因I _leak 、C _boot 、與ΔV可預先得知，故第一時間長度T _{d 1}可藉由式1預先推得。於第一時間長度T _{d 1}經過後，控制訊號產生單元212即送出下橋開關控制訊號V_CTRL_L，控制下橋開關Q2為開啟狀態。

同樣地，靴帶電容C_BS在充電狀態下，其兩端的電壓差由特定電壓值升至靴帶電壓V_cc所需時間，即第二時間長度T _{d 2}(即充電維持時間)，亦可由靴帶電容C_BS的電容量、靴帶電容C_BS兩端的電壓差、靴帶電容C_BS的充電電量預先推得。T _{d 2}可由下列公式推得：

其中，I _ch 為對靴帶電容C_BS之充電量，C _boot 為靴帶電容C_BS之電容量，ΔV為靴帶電壓V_cc與特定電壓值的差。因I _ch 、C _boot 、與ΔV可預先得知，故第二時間長度T _{d 2}可藉由式2預先推得。具體來說，當控制訊號產生單元212送出下橋開關控制訊號V_CTRL_L，使下橋開關Q2為關閉狀態，且維持第一時間長度T _{d 1}後，充電時間控制單元210即產生一指示訊號IND，指示控制訊號產生單元212送出下橋開關控制訊號V_CTRL_L，導通下橋開關Q2，使靴帶電容C_BS進入充電狀態，此為靴帶電容C_BS開始充電的時間點。於第二時間長度T _{d 2}內，靴帶電容C_BS維持充電狀態。當靴帶電容C_BS的充電維持時間(即T _{d 2})結束後，充電時間控制單元210即產生指示訊號IND，指示控制訊號產生單元212產生下橋開關控制訊號V_CTRL_L，關閉下橋開關Q2。依照上述規則，當再次經過第一時間長度T _{d 1}後，控制訊號產生單元212將再產生下橋開關控制訊號V_CTRL_L，導通下橋開關Q2，並維持第二時間長度T _{d 2}，從而維持靴帶電容C_BS充電狀態的切換。

簡單來說，本發明係預先設定切換靴帶電容C_BS為充電狀態的時間點和充電維持時間，並由充電時間控制單元210依據第一時間長度T _{d 1}及第二時間長度T _{d 2}來指示控制訊號產生單元212產生下橋開關控制訊號V_CTRL_L，以及控制上橋開關驅動電路210產生上橋開關控制訊號V_CTRL_U，以控制上橋開關Q1及下橋開關Q2的導通與關閉狀態，進而適時切換靴帶電容C_BS為充電狀態。

在習知技術中，靴帶電容充電的狀態，係透過額外的電路來偵測靴帶電容兩端的電壓差，並藉由比較靴帶電容兩端的電壓差與一參考電壓值來決定。相較之下，在本發明中，切換靴帶電容為充電狀態的時間點和充電維持時間可根據元件的特性預先設定，使下橋開關適時於導通及關閉狀態之間相互切換，來達成靴帶電容充電狀態的控制。

綜上所述，本發明之直流轉換器，可根據元件的特性預先設定開始充電的時間點和充電維持時間，且不需透過偵測靴帶電容兩端電壓差的方法，即可適時切換靴帶電容為充電的狀態。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20．．．直流轉換器

100、200．．．驅動級電路

102、202．．．輸出級電路

104、204．．．控制模組

106、206．．．靴帶電路

108、208．．．上橋開關驅動電路

210．．．充電時間控制單元

212．．．控制訊號產生單元

V_in．．．輸入電壓

V_out．．．輸出電壓

Q1．．．上橋開關

Q2．．．下橋開關

IND．．．指示訊號

V_CTRL_U．．．上橋開關控制訊號

V_CTRL_L．．．下橋開關控制訊號

X．．．輸出端

SS．．．切換訊號

L．．．電感

C．．．電容

V_gnd．．．地端

V_cc．．．靴帶電壓

C_BS．．．靴帶電容

D_BS．．．二極體

第1圖為習知技術一直流轉換器之示意圖。

第2圖為本發明實施例一直流轉換器之示意圖。

20．．．直流轉換器

200．．．驅動級電路

202．．．輸出級電路

204．．．控制模組

206．．．靴帶電路

208．．．上橋開關驅動電路

210．．．充電時間控制單元

212．．．控制訊號產生單元

V_in．．．輸入電壓

V_out．．．輸出電壓

Q1．．．上橋開關

Q2．．．下橋開關

IND．．．指示訊號

V_CTRL_U．．．上橋開關控制訊號

V_CTRL_L．．．下橋開關控制訊號

X．．．輸出端

SS．．．切換訊號

L．．．電感

C．．．電容

V_gnd．．．地端

V_cc．．．靴帶電壓

C_BS．．．靴帶電容

D_BS．．．二極體

Claims (8)

1. 一種直流轉換器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該直流轉換器包含有：一驅動級電路，包含有一上橋開關及一下橋開關，用來根據一上橋開關控制訊號及一下橋開關控制訊號，將該輸入電壓轉換為一切換訊號，並由一輸出端輸出該切換訊號；一輸出級電路，耦接於該驅動級電路之該輸出端，用來將該切換訊號轉換為該輸出電壓；一靴帶電路，耦接於一靴帶電壓端及該驅動級電路之該輸出端之間；一上橋開關驅動電路，耦接於該驅動級電路及該靴帶電路，用來產生該上橋開關控制訊號；以及一控制模組，耦接於該上橋開關驅動電路及該驅動級電路之該下橋開關，用來根據一第一時間長度及一第二時間長度，產生該下橋開關控制訊號，以及控制該上橋開關驅動電路產生該上橋開關控制訊號，據以適時切換該靴帶電路為一充電狀態。
2. 如請求項1所述之直流轉換器，其中該控制模組包含有：一充電時間控制單元，用來根據該第一時間長度及該第二時間長度，產生一指示訊號；以及一控制訊號產生單元，耦接於該充電時間控制單元、該上橋開關驅動電路及該驅動級電路之該下橋開關，用來根據該指示訊號產生該下橋開關控制訊號，控制該下橋開關之一狀態，以及根據該指示訊號控制該上橋開關驅動電路產生該上橋開關控制訊號，控制該上橋開關之一狀態，據以適時切換該靴帶電路之該狀態。
3. 如請求項2所述之直流轉換器，其中根據該指示訊號產生該下橋開關控制訊號，控制該下橋開關之一狀態，係於該第一時間長度經過後，根據該指示訊號產生該下橋開關控制訊號，改變該下橋開關之該狀態為一開啟狀態。
4. 如請求項2所述之直流轉換器，其中根據該指示訊號產生該下橋開關控制訊號，控制該下橋開關之一狀態，係於該第二時間長度內維持該開啟狀態，以及於該第二時間長度經過後，改變該下橋開關之該狀態為一關閉狀態。
5. 如請求項1所述之直流轉換器，其中該輸出級電路包含有一電感及一電容，耦接於該驅動級電路之該輸出端與一地端之間，透過該電感及該電容間之一節點輸出該輸出電壓。
6. 如請求項1所述之直流轉換器，其中該靴帶電路包含有：一二極體，耦接於一靴帶電壓端；以及一靴帶電容，耦接於該二極體與該驅動級電路之該輸出端之間。
7. 如請求項6所述之直流轉換器，其中該第一時間長度係根據該靴帶電容之一電容量、該靴帶電容兩端之一電壓差、該上橋開關之一漏電流設定。
8. 如請求項6所述之直流轉換器，其中該第二時間長度係根據該靴帶電容之一電容量、該靴帶電容兩端之一電壓差、該靴帶電容之一充電電量設定。